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802.16無線城域網(wǎng)技術(shù)綜述

2019-11-05 02:17:19
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供稿:網(wǎng)友

  在無線局域網(wǎng)(WLAN)勢頭正勁之際,最近又出現(xiàn)了無線城域網(wǎng)(MAN)技術(shù)。與為無線局域網(wǎng)制定802.11標(biāo)準(zhǔn)一樣,IEEE為無線城域網(wǎng)推出了802.16標(biāo)準(zhǔn),同時業(yè)界也成立了類似WiFi聯(lián)盟的WiMAX論壇。
無線城域網(wǎng)技術(shù)為何會緊跟WLAN之后出現(xiàn)?802.16是一個什么樣的標(biāo)準(zhǔn)?WiMAX的使命又是什么?這些就是本文所關(guān)注的要點。
  
  一、IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)
  最早的IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)是在2001年12月獲得批準(zhǔn)的,是針對10~66 GHz高頻段視距(LOS)環(huán)境而制定的無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。但目前所說的802.16標(biāo)準(zhǔn)主要包括802.16a、802.16RevD和802.16e三個標(biāo)準(zhǔn)。802.16a是為工作在2~11 GHz頻段的非視距(NLOS)寬帶固定接入系統(tǒng)而設(shè)計的,在2003年1月被IEEE批準(zhǔn)通過;802.16RevD是802.16a的增強(qiáng)型,主要目的是支持室內(nèi)用戶駐地設(shè)備(CPE),預(yù)期將在2004年第三季度得到批準(zhǔn);802.16e是IEEE 802.16 a/d的進(jìn)一步延伸,其目的是在已有標(biāo)準(zhǔn)中增加數(shù)據(jù)移動性,估計要到2005年下半年才能被批準(zhǔn)。
  
  無線城域網(wǎng)的推出是為了滿足日益增長的寬帶無線接入(BWA)市場需求。雖然多年來802.11x技術(shù)一直與許多其他專有技術(shù)一起被用于BWA,并獲得很大成功,但是WLAN的總體設(shè)計及其提供的特點并不能很好地適用于室外的BWA應(yīng)用。當(dāng)其用于室外時,在帶寬和用戶數(shù)方面將受到限制,同時還存在著通信距離等其他一些問題。基于上述情況,IEEE決定制定一種新的、更復(fù)雜的全球標(biāo)準(zhǔn),這個標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)能同時解決物理層環(huán)境(室外射頻傳輸)和QoS兩方面的問題,以滿足BWA和“最后一英里”接入市場的需要。有了這樣一個全球標(biāo)準(zhǔn),就能使通信公司和服務(wù)提供商通過建設(shè)新的無線城域網(wǎng)來為目前仍然缺少寬帶服務(wù)的企業(yè)與住宅提供服務(wù)。
  
  符合802.16標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可以在“最后一英里”寬帶接入領(lǐng)域替代Cable Modem、DSL和T1/E1,也可以為802.11熱點提供回傳。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了一個支持諸如話音和視像等低時延應(yīng)用的協(xié)議,在用戶終端和基站(BTS)之間答應(yīng)非視距的寬帶連接,一個基站可支持?jǐn)?shù)百上千個用戶,在可靠性和QoS方面提供電信級的性能。總之,它充分考慮了為全世界通信公司和服務(wù)提供商設(shè)計一個可擴(kuò)展、長距離、大容量“最后一英里”無線通信系統(tǒng)的需要,可支持一整套的服務(wù),從而使服務(wù)提供商能夠在降低設(shè)備成本和投資風(fēng)險的同時提高系統(tǒng)性能和可靠性,有助于加速無線寬帶設(shè)備向市場的投放以及“最后一英里”寬帶在世界各地的部署。BWA應(yīng)用包括住宅寬帶接入、用于SOHO和小企業(yè)的DSL級業(yè)務(wù)、用于企業(yè)的T1/E1級業(yè)務(wù)(所有這些不僅支持?jǐn)?shù)據(jù),而且還支持話音和視像),還包括用于熱點的無線回傳和蜂窩小區(qū)基站回傳業(yè)務(wù)等,如圖1所示。
  

  
圖1 802.16的BWA應(yīng)用

  802.16a、802.16RevD和802.16e這三個標(biāo)準(zhǔn)的物理層(PHY)和媒體接入控制層(MAC)是相同的。目前它們所選定的物理層規(guī)范是256點FFT OFDM PHY(與ETSI NiperMAN相同)。其他物理層規(guī)范將在今后市場需要時再制定。
  
  選用OFDM是由于它在保持高頻譜效率、最大限度利用可用頻譜的同時還具備支持非視距性能的能力。在CDMA的情況下,為了保證處理增益能夠克服干擾,射頻帶寬必須比數(shù)據(jù)吞吐量大許多。這對低于11 GHz的寬帶無線顯然是不切實際的,因為假如數(shù)據(jù)速率高達(dá)70 Mbit/s,就需要射頻帶寬超過200 MHz才能提供相應(yīng)的處理增益和非視距能力。
  
  為了在各種信道環(huán)境下提供可靠的性能,802.16物理層還具備以下一些特點:靈活的信道寬度、自適應(yīng)突發(fā)信號輪廓、采用Reed-Solomon與卷積級聯(lián)碼的前向糾錯、任選的先進(jìn)天線系統(tǒng)(AAS)(可改善距離/容量)、動態(tài)頻率選擇(DFS)(可幫助減小干擾)、空時編碼(STC)(通過空間分集提高在衰落環(huán)境下的性能)。表1給出了IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的一些物理層特點。
  上述特點對室外BWA的基本運(yùn)行是必要的要求,非凡是一個標(biāo)準(zhǔn)要想真正適應(yīng)世界各國的情況,就需要靈活的信道寬度。這是因為對設(shè)備可以工作在什么頻率以及使用什么寬度的信道各國的治理辦法并不相同。在需要牌照的頻譜上,運(yùn)營商必須為每一MHz付錢,因此所建的系統(tǒng)一定要把所分配的頻譜用足,并具有適應(yīng)蜂窩結(jié)構(gòu)或單基站結(jié)構(gòu)的靈活性。假如運(yùn)營商獲得14 MHz頻譜,并為此付了錢,它們就不希望系統(tǒng)的信道寬度為6 MHz,因為這將浪費(fèi)2 MHz的頻譜。它們希望系統(tǒng)可以采用7 MHz、3.5 MHz,甚至1.75 MHz的信道來建網(wǎng)。
  
  由于各種無線網(wǎng)基本上都是工作在共享媒體上,必然需要一種控制用戶單元接入媒體的機(jī)制。802.16的MAC層使用由基站安排的TDMA協(xié)議在點到多點的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲薪o用戶分配容量。采用這種TDMA接入機(jī)制以后,802.16系統(tǒng)不僅能夠提供具有服務(wù)水平協(xié)定(SLA)的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),而且還能提供對時延敏感的業(yè)務(wù)(如話音、視像或數(shù)據(jù)庫訪問等),并具備QoS控制能力,不僅僅是控制優(yōu)先等級,而且所設(shè)計的MAC層還能適應(yīng)雜亂的物理層環(huán)境,即在室外工作時碰到的干擾、快衰落和其他現(xiàn)象。
  
  二、IEEE 802.16與IEEE 802.11的比較
  1. 覆蓋
  
  802.16標(biāo)準(zhǔn)是為在各種傳播環(huán)境(包括視距、近視距和非視距)中獲得最優(yōu)性能而設(shè)計的。即使在鏈路狀況最差的情況下,也能提供可靠的性能。OFDM波形在2~40 km的通信距離上支持高頻譜效率(bit/s/Hz),在一個射頻內(nèi)速率可高達(dá)70 Mbit/s。可以采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ňW(wǎng)狀網(wǎng))和天線技術(shù)(波束成形、STC、天線分集)來進(jìn)一步改善覆蓋。這些先進(jìn)技術(shù)也可用來提高頻譜效率、容量、復(fù)用以及每射頻信道的平均與峰值吞吐量。此外,不是所有的OFDM都是相同的。為BWA設(shè)計的OFDM具有支持較長距離傳輸和處理多徑或反射的能力。

  
  相反,WLAN和802.11系統(tǒng)在它們的核心不是采用基本的CDMA,就是使用設(shè)計大不相同的OFDM。它們的設(shè)計要求是低功耗,因此必然限制了通信距離。WLAN中的OFDM是按照系統(tǒng)覆蓋數(shù)十米或幾百米設(shè)計的,而802.16被設(shè)計成高功率,OFDM可覆蓋數(shù)十公里。
  
  2. 可擴(kuò)展性
  
  在物理層,802.16支持靈活的射頻信道帶寬和信道復(fù)用(頻率復(fù)用),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展時,可以作為增加小區(qū)容量的一種手段。此標(biāo)準(zhǔn)還支持自動發(fā)送功率控制和信道質(zhì)量測試,可以作為物理層的附加工具來支持小區(qū)規(guī)劃和部署以及頻譜的有效使用。當(dāng)用戶數(shù)增加時,運(yùn)營商可通過扇形化和小區(qū)分裂來重新分配頻譜。還有,此標(biāo)準(zhǔn)對多信道帶寬的支持使設(shè)備制造商能夠提供一種手段,以適應(yīng)各國政府對頻譜使用和分配的獨(dú)特管制辦法,這是世界各地的運(yùn)營商都面臨的一個問題。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信道寬度為1.75~20 MHz,在這中間還可以有許多選擇。
  
  但是,基于WiFi的產(chǎn)品要求每一信道至少為20 MHz(802.11b中規(guī)定在2.4 GHz頻段為22 MHz),并規(guī)定只能工作在不需牌照的頻段上,包括2.4 GHz ISM、5 GHz ISM和5 GHz UNII。
  
  在MAC層,802.11的基礎(chǔ)是CSMA/CA,基本上是一個無線以太網(wǎng)協(xié)議,其擴(kuò)展能力較差,類似于以太網(wǎng)。當(dāng)用戶增加時,吞吐量就明顯減小。而802.16標(biāo)準(zhǔn)中的MAC層卻能在一個射頻信道內(nèi)從一個擴(kuò)展到數(shù)百個用戶。這是802.11 MAC不可能做到的。
  
  3. QoS
  
  802.16的MAC層是靠同意/請求協(xié)議來接入媒體的,它支持不同的服務(wù)水平(如專用于企業(yè)的T1/E1和用于住宅的盡力而為服務(wù))。此協(xié)議在下行鏈路采用TDM數(shù)據(jù)流,在上行鏈路采用TDMA,通過集中調(diào)度來支持對時延敏感的業(yè)務(wù),如話音和視像等。由于確保了無碰撞數(shù)據(jù)接入,802.16的 MAC層改善了系統(tǒng)總吞吐量和帶寬效率,并確保數(shù)據(jù)時延受到控制,不致太大(相反,CSMA/CA沒有這種保證)。TDM/TDMA接入技術(shù)還使支持多播和廣播業(yè)務(wù)變得更輕易。
  
  WLAN由于在其核心采用CSMA/CA,故其目前已實施的系統(tǒng)無法提供802.16系統(tǒng)的QoS。
  
  三、WiMAX論壇
  1. 成立的目的
  
  雖然標(biāo)準(zhǔn)的制定是某項技術(shù)被廣泛接納的要害,但事實表明,一個標(biāo)準(zhǔn)的通過并不意味著這項技術(shù)就一定會被市場所接納。要被市場廣泛接納,就必須克服諸如互操作性和部署成本等障礙,其中互操作性尤其重要。互操作性意味著最終用戶可以購買自己偏好的品牌,擁有他們想要的特點,并知道它怎么與其他認(rèn)證過的類似產(chǎn)品一起工作。要真正獲得市場,產(chǎn)品必須首先被認(rèn)證是符合標(biāo)準(zhǔn)的,然后還必須證實它們是可以互操作的。但克服上述障礙并不是IEEE的職能,需要由業(yè)界來做。WLAN就是一個很好的例子。802.11b標(biāo)準(zhǔn)是在1999年得到批準(zhǔn)的,但是在WiFi聯(lián)盟引入互操作性認(rèn)證之前,并沒有被廣泛接納,可互操作的802.11b設(shè)備直到2001年才面世。出于同樣的原因,在2001年4月成立了世界微波接入互操作性論壇(WiMAX:Worldwide Interoperability for Microwave Access),當(dāng)時是為了10~66 GHz 頻段的IEEE 802.16原始規(guī)范而成立的。WiMAX是一個非贏利的工業(yè)貿(mào)易組織,主要由領(lǐng)先的通信元器件公司和通信設(shè)備公司所組成(WiMAX成員表)。
  
  2. 主要職能
  
  WiMAX的主要職能是根據(jù)IEEE 802.16和ETSI HIPERMAN標(biāo)準(zhǔn)形成一個可互操作的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),保證設(shè)備商開發(fā)的系統(tǒng)構(gòu)件之間具有可認(rèn)證的互操作性。隨著802.16a標(biāo)準(zhǔn)的推出,WiMAX決定把重點放在256 OFDM物理層上,并與無任選項目的MAC結(jié)合,以保證所有的WiMAX實施項目有一個統(tǒng)一的基礎(chǔ)。WiMAX將制定一致性測試和互操作性測試的計劃,選擇認(rèn)證實驗室并為IEEE 802.16設(shè)備供給商主持有關(guān)互操作性的活動,采用早先由WiFi倡導(dǎo)的方法,通過定義和開展互操作性測試以及授予供給商“WiMAX Certified”標(biāo)簽,把相同的好處帶給BWA市場。WiMAX將有助于無線城域網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的形成。
  
  為了把可互操作性引入BWA市場,WiMAX論壇把重點放在建立一套獨(dú)特的基本特點子集,可以在所謂的“系統(tǒng)輪廓”(system profile)中加以分類。系統(tǒng)輪廓是所有合格系統(tǒng)必須滿足的。這些系統(tǒng)輪廓結(jié)合一套測試協(xié)議將形成一個基本的可互操作的協(xié)議,答應(yīng)多個供給商的設(shè)備互操作。初期有三個系統(tǒng)輪廓,包括不需牌照的5.8 GHz頻段以及需要牌照的2.5 GHz和3.5 GHz頻段。現(xiàn)在還打算包括更多的系統(tǒng)輪廓,包括2.3 GHz頻段等。系統(tǒng)輪廓可以使系統(tǒng)適應(yīng)各地運(yùn)營商所面臨的在頻譜治理方面的限制。例如,若歐洲一個工作在3.5 GHz頻段的服務(wù)提供商分配到14 MHz的頻譜,它就很可能希望設(shè)備能支持3.5和(或)7 MHz的信道帶寬,采用TDD或FDD工作方式,視管制需要而定。類似地,美國一個使用不需牌照的5.8 GHz UNII頻段的無線ISP(WISP)就可能希望設(shè)備支持TDD和10 MHz帶寬。
  
  目前,基于ISO/IEC9646規(guī)定的測試方法,WiMAX正在制訂一套結(jié)構(gòu)式合格程序。其最終結(jié)果是一整套測試工具。WiMAX將把它們提供給設(shè)備開發(fā)商,使其在早期產(chǎn)品開發(fā)階段把一致性和互操作性考慮進(jìn)去。最終,WiMAX論壇的一整套一致性測試和互操作性測試方法將使服務(wù)提供商能夠從多個生產(chǎn)符合IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的BWA設(shè)備的供給商那里選購最適合它們獨(dú)特環(huán)境的設(shè)備。
  
  3. WiMAX的好處
  
  WiMAX對元器件制造商的好處是給硅片供給商創(chuàng)造了一個巨大商機(jī)。對設(shè)備制造商的好處是由于存在一個基于標(biāo)準(zhǔn)的平臺,在此平臺上可以迅速增加新功能,故而使創(chuàng)新更快。對運(yùn)營商的好處就更多了,包括:因為有一個公共平臺,能使設(shè)備成本很快下降,性價比迅速提高;能通過填補(bǔ)寬帶接入空白地區(qū)產(chǎn)生新的收入;迅速提供T1 / E1級的、“按需”的高利潤寬帶業(yè)務(wù);因規(guī)模經(jīng)濟(jì)而降低建設(shè)投資風(fēng)險;不再鎖定于一個供給商,因為基站與多家供給商的CPE可以互操作。對消費(fèi)者的好處是多一種寬帶接入的選擇,有利于促進(jìn)競爭,降低服務(wù)費(fèi),尤其能促進(jìn)在缺少服務(wù)地區(qū)的寬帶接入建設(shè),例如,在建設(shè)接入很困難的世界城市中心;在用戶離中心局太遠(yuǎn)的郊區(qū);在基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的農(nóng)村地區(qū)和人口稀少地區(qū)。
  
  四、結(jié)語
  802.16標(biāo)準(zhǔn)是一種無線城域網(wǎng)技術(shù),它能向固定、攜帶和游牧的設(shè)備提供寬帶無線連接,還可用來連接802.11熱點與因特網(wǎng),提供校園連接,以及在“最后一英里”寬帶接入領(lǐng)域作為Cable Modem和DSL的無線替代品。
它的服務(wù)區(qū)范圍高達(dá)50 km,用戶與基站之間不要求視距傳播,每基站提供的總數(shù)據(jù)速率最高為280 Mbit/s,這一帶寬足以支持?jǐn)?shù)百個采用T1/E1型連接的企業(yè)和數(shù)千個采用DSL型連接的家庭。802.16標(biāo)準(zhǔn)得到了領(lǐng)先設(shè)備制造商的廣泛支持。許多WiMAX的成員公司同時參與IEEE 802.16和IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的制定,可以預(yù)料802.16和802.11的結(jié)合將形成一個完整的無線解決方案,為企業(yè)、住宅和WiFi熱點提供高速因特網(wǎng)接入。估計WiMAX的商用產(chǎn)品至少要到2005年才能投放市場。
  
  目前,多數(shù)運(yùn)營商對WiMAX還在觀望,要等所有技術(shù)問題都得到解決、設(shè)備價格有競爭性之后才會真正行動起來。WiMAX的成員公司占全世界所有11 GHz以下的BWA設(shè)備出貨量的75%以上,在有些地區(qū)比重更高。故將來運(yùn)營商假如采用WiMAX成員公司的設(shè)備,就能保證有一個符合WiMAX設(shè)備的發(fā)展路標(biāo)和升級途徑。
  
  將來這些產(chǎn)品的推出會不會影響3G的發(fā)展?筆者的看法是,20世紀(jì)90年代以來,隨著移動通信的大發(fā)展,無線通信日益受到重視,其地位變得越來越重要,其應(yīng)用也越來越廣泛。大到衛(wèi)星網(wǎng),小到無線個人域網(wǎng)(WPAN)甚至人體域網(wǎng)(BAN),中間除了蜂窩移動通信外,還有固定無線接入(FWA)系統(tǒng)、WLAN、無線城域網(wǎng)、自由空間光(FSO)通信系統(tǒng)、平流層氣球通信等寬帶系統(tǒng)。它們各占各的頻段,各有各的定位,各有各的設(shè)計目的,各有各的用武之地,各有各的市場空間。今后這些五光十色的寬帶無線網(wǎng)將彼此相連,互為補(bǔ)充,并與固定網(wǎng)絡(luò)融合在一起,為人類提供從窄帶到寬帶的各種無線服務(wù)。當(dāng)然,這些無線寬帶網(wǎng)在覆蓋和服務(wù)方面免不了會有一些重疊,在經(jīng)營上也必然會有競爭。
  
  3G與WiFi/WiMAX的關(guān)系也基本如此。人們開發(fā)3G或WiFi/WiMAX都是因為看到了市場對移動性日益高漲的需求,因為移動性是人類提高勞動生產(chǎn)率的下一個浪潮,人們希望在任何地方都能上網(wǎng)通信、做事、辦公、娛樂和獲取信息。但是,3G和WiFi/WiMAX的著眼點不同。3G著眼于手機(jī),數(shù)據(jù)速率相對較低,但在話音和手機(jī)應(yīng)用方面將做得比較出色。而WiFi/WiMAX著眼于筆記本電腦。有人預(yù)計在今后5~10年中,各行各業(yè)將紛紛轉(zhuǎn)向無線。一旦人們用上了無線,使用筆記本電腦的時間將增加30%,因為無線可使人們隨身帶著電腦隨時隨地使用。WiFi和WiMAX主要針對高速數(shù)據(jù),話音是附帶的。雖然WiMAX最終將能移動,但在話音上不會喧賓奪主。假如用戶想要DSL水平的無線接入,他可能會選WiMAX(這是它的定位),而不會選EV-DO。但是,世界上想隨時隨地使用電腦的人究竟只是一部分,還有許多人仍熱衷于手機(jī),故3G不會因為WiMAX的出現(xiàn)而死亡。即便在WiMAX與WiFi之間同樣也存在著互補(bǔ)與競爭的關(guān)系,不可能有一統(tǒng)天下的無線網(wǎng)絡(luò)。因此,3G發(fā)展比較好的日本和韓國現(xiàn)在也預(yù)備引入WiMAX,因為只有這樣它們才可能提供所有它們想提供的業(yè)務(wù)。又譬如,在2004年末或2005年初,美國將實現(xiàn)WiFi/蜂窩漫游,系統(tǒng)將使用蜂窩/WiFi無縫漫游技術(shù)對用戶進(jìn)行跟蹤,使無線用戶不用更換手機(jī)即可從窄帶蜂窩網(wǎng)移至寬帶WiFi網(wǎng)。當(dāng)用戶從蜂窩網(wǎng)移至WiFi服務(wù)區(qū)時,系統(tǒng)將告知移動通信公司,使信號從蜂窩天線塔轉(zhuǎn)移至WiFi接入點,啟動手機(jī)的寬帶功能,同時保持話音通信。這種漫游技術(shù)首先應(yīng)用于“數(shù)據(jù)使能”的話音手機(jī),以后還可用于筆記本電腦、PDA或其他移動設(shè)備。這個例子也說明了移動網(wǎng)與WiFi之間的互補(bǔ)關(guān)系。
  
  現(xiàn)在一些大型制造商如阿爾卡特和西門子正在著手開發(fā)WiMAX設(shè)備,一些運(yùn)營商也在進(jìn)行WiMAX試驗。WiFi和WiMAX產(chǎn)品必須為運(yùn)營商所用才能使產(chǎn)品成本降低,才能使用戶真正獲得高速連接。對電信運(yùn)營商來說,采用WiMAX也是必然的,因為它們可以用高速數(shù)據(jù)來吸引更多的用戶。因此,在管制上,對現(xiàn)有的電信運(yùn)營商而言,除了頻率與干擾以外,采用WiMAX不會引入額外問題,只是采用了一種新技術(shù)而已。對增值業(yè)務(wù)提供商而言,主要應(yīng)把握好對基本業(yè)務(wù)和頻率使用的監(jiān)管,不要讓新技術(shù)短路應(yīng)有的監(jiān)管。

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